超細(xì)全尾砂新型膠結(jié)材料最優(yōu)配比研究及應(yīng)用*

胡亞軍 ,陳彥亭,賴偉,白學(xué)勇,陳拓,韓瑞亮

(1.河北鋼鐵集團礦業(yè)有限公司,河北 唐山市 063700;2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司,湖南 長沙 410012)

0 引言

充填膠凝材料是礦山膠結(jié)充填采礦的重要組成部分,其占充填采礦法總成本的30%～40%。當(dāng)前,國內(nèi)金屬充填礦山多選用膠結(jié)料替代水泥。由于不同地區(qū)尾砂與膠結(jié)材料原料品質(zhì)特性不同,所產(chǎn)膠結(jié)材料強度性能亦不同。近幾年來,國內(nèi)礦業(yè)科研人員開展了新型膠結(jié)材料研究并取得一定成果。馮圣杰等[1]利用低品質(zhì)工業(yè)固廢鋼渣、礦渣和脫硫石膏等,成功研發(fā)出低成本鋼渣基充填膠結(jié)材料。崔孝煒等[2]研究了不同激發(fā)劑CaO 或Na2SO含量對膠凝材料的性能影響。李高魯?shù)萚3]以鋼渣作為摻料,研究鋼渣對充填膠結(jié)材料水化性能的影響。程斌等[4]針對和睦山鐵礦全尾砂特性開發(fā)出MG 61專用固化劑,不僅能夠滿足性能指標(biāo),而且降低固化劑用量,大幅度減少了礦山充填材料成本。彭欣等[5]研制了一種廉價的新型膠結(jié)材料,養(yǎng)護齡期為7 d時,新型膠凝材料充填體試塊的單軸抗壓強度為水泥充填體試塊的3～5倍。

本文以超細(xì)全尾砂為骨料,以鋼渣、礦渣粉、脫硫石膏和復(fù)合堿性材料為原料開展正交試驗,通過極差分析確定新型膠結(jié)材料強度的影響因素及最優(yōu)配比。通過工業(yè)生產(chǎn)及實踐驗證最優(yōu)新型膠結(jié)材料是否滿足井下采礦嗣后充填體設(shè)計強度的要求。

1 試驗材料

1.1 全尾砂

尾砂樣品取自邢臺某鐵礦,采用MS2000 激光粒度儀和ZBSX-92A 型震擊式標(biāo)準(zhǔn)篩分別對尾砂進行粒度測試,試驗表明200目75μm 尾砂占82%,為超細(xì)全尾砂。同時,通過原料化學(xué)成分(見表1)得知,該尾砂三氧化硫和氧化鈣含量高,屬于高硫高鈣全尾砂。

表1 原料化學(xué)成分 %

1.2 膠結(jié)材料原料

(1)鋼渣。應(yīng)符合《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》GB/T20491—2017 國家標(biāo)準(zhǔn),樣品由唐山地區(qū)經(jīng)銷商提供。將鋼渣破碎并烘干后,利用實驗室Φ500 cm×500 cm 小磨,每磨5 kg 單獨得到鋼渣粉,測定密度為3.23 g/cm3,比表面積為456 m2/kg。

(2)礦渣粉。樣品來自邯鄲金隅太行建材有限公司,測定密度為3.12 g/cm3,比表面積為450 m2/kg以上,活性S95以上。通過XRD 圖譜測試表明,礦渣沒有明顯的峰值,基本上呈玻璃態(tài)。

(3)脫硫石膏。取自邯鄲熱電廠,主要化學(xué)成分為二水石膏(CaSO4?2 H2O),SO3含量達到36.5%,其外觀顏色為黃白色。

(4)復(fù)合堿性材料。遵循膠結(jié)材料水化機理[6-7],自行設(shè)計一種新型復(fù)合堿性材料,通過微量的復(fù)合堿性材料,能使礦渣、鋼渣的潛在活性充分發(fā)揮出來,從而提高新型膠結(jié)充填體的強度。研制的復(fù)合堿性材料主要包括石灰、硅酸鈉和水泥熟料等。

2 最優(yōu)配比研究

2.1 正交試驗方案

正交試驗法[8-10]是針對眾多因素,抓住主要因素,減少試驗次數(shù)的一個非常科學(xué)的方法。經(jīng)前期探索性試驗,本項目新型膠結(jié)材料強度主要由礦渣粉、復(fù)合堿性材料和脫硫石膏三個因素確定,礦渣粉因素取50%、55%和60%三個水平;復(fù)合堿性料因素取6%、8%和10%三個水平;脫硫石膏因素取16%、17%和18%三個水平,28 d單軸抗壓強度作為新型膠結(jié)材料力學(xué)特性的考核指標(biāo)。

全尾砂和新型膠結(jié)材料按灰砂比1∶4,質(zhì)量濃度60%人工攪拌成料漿,澆筑到70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 的三聯(lián)磨具內(nèi),24 h后脫模形成充填試塊,并放置在YH 60Ⅱ型養(yǎng)護箱內(nèi)。充填試塊在溫度20℃、濕度90%的標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護,28 d期齡時測量各試塊單軸抗壓強度,結(jié)果見表2。

表2 正交試驗方案及結(jié)果

2.2 正交試驗結(jié)果直觀分析

根據(jù)表2試驗結(jié)果,分別計算出每個主因素水平相同的各次試驗結(jié)果平均值K,以及各個水平對應(yīng)的試驗指標(biāo)的最大值和最小值之差(極差R),具體見表3。由表3可知,礦渣粉極差R為0.61,相對影響力最大,礦渣粉是影響新型膠結(jié)材料28 d抗壓強度的最主要因素;脫硫石膏極差R為0.11,影響次之;復(fù)合堿性料極差R為0.06,相對影響最小。由此,影響新型膠結(jié)材料28 d抗壓強度的因素由主到次為:礦渣粉、脫硫石膏、復(fù)合堿性料。

表3 28 d抗壓強度極差分析

圖1至圖3為不同影響因素下新型膠結(jié)材料28 d抗壓強度變化趨勢。由圖1可知,隨礦渣微粉含量的增加,新型膠結(jié)材料28 d抗壓強度相應(yīng)增大,該因素最佳含量為60%;由圖2可知,新型膠結(jié)材料28 d抗壓強度不是隨復(fù)合堿性料的含量增加而增加,而是先升后落,該因素最佳含量為8%;由圖3可知,隨脫硫石膏含量的增加,新型膠結(jié)材料28 d抗壓強度反而降低,該因素最佳含量為16%。因此,本項目最優(yōu)新型膠結(jié)材料配方為60%礦渣微粉、8%復(fù)合堿性料、16%脫硫石膏和16%鋼渣粉。

圖1 礦渣粉含量與28 d抗壓強度變化趨勢圖

圖2 復(fù)合堿性料含量與28 d抗壓強度變化趨勢圖

圖3 脫硫石膏含量與28 d抗壓強度變化趨勢圖

2.3 對比試驗

利用最優(yōu)新型膠結(jié)材料與P·O42.5#水泥開展室內(nèi)對比試驗,在水砂比分別為1∶4、1∶6、1∶8和1∶10,充填料漿質(zhì)量濃度為60%,充填試塊在溫度20℃、濕度達到90%標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護,測量28 d期齡各試塊抗壓強度,結(jié)果如表3和圖4所示。由表3和圖4可知,在灰砂比、料漿質(zhì)量濃度相同條件下,該最優(yōu)新型膠結(jié)材料強度明顯優(yōu)于P·O 42.5#水泥抗壓強度,高出89.7%以上。

表3 P?O 42.5#水泥與新型膠結(jié)材料對比

圖4 P?O42.5#水泥與新型膠結(jié)材料充填強度對比

3 新型膠結(jié)材料生產(chǎn)工藝

生產(chǎn)線以一級管磨機[11-12]開路工藝為核心(見圖5),管磨機型號為Φ4.2 m×13.5 m,生產(chǎn)能力為40～50 t/h。由于物料易磨性不同,將原料分為兩組,復(fù)合堿性料、脫硫石膏和鋼渣為一組,礦渣為另一組。復(fù)合堿性料、脫硫石膏和鋼渣分別存放在原料倉1、原料倉2和原料倉3內(nèi),生產(chǎn)時原料按計量落到底部皮帶輸送機上,并通過皮帶輸送機喂入管磨機進料口。礦渣粉直接從市場采購成品,儲存在原料倉4內(nèi)。在生產(chǎn)過程中,原料倉4內(nèi)礦渣粉利用空氣斜槽進入管磨機尾部內(nèi),與管磨機內(nèi)的復(fù)合堿性料、脫硫石膏和鋼渣粉混合成新型膠結(jié)材料,該新型膠結(jié)材料通過空氣斜槽送到成品內(nèi)儲存。管磨機具有工藝簡單,生產(chǎn)靈活等優(yōu)點,但由于入磨系統(tǒng)對水分控制有所要求,存在復(fù)合堿性料、脫硫石膏和鋼渣入磨前需要烘干或自然晾曬的缺點。

圖5 一級管磨機開路工藝

為保證成品質(zhì)量,現(xiàn)場技術(shù)人員每0.5 h取樣并利用SBT-127儀測量其比表面積,結(jié)果如圖6所示。由圖6可知,該工藝在生產(chǎn)過程中,最優(yōu)新型膠結(jié)材料比表面積為457～469 kg/m2,變化曲線保持平穩(wěn),均在450 kg/m2之上。

圖6 新型膠結(jié)材料比表面積隨時間變化曲線

4 礦山井下充填實踐應(yīng)用

為了驗證材料適應(yīng)性,將生產(chǎn)的最優(yōu)新型膠結(jié)材料進行井下12S1礦房充填。該礦房充填料漿質(zhì)量濃度為58%～60%,灰砂比分別為1∶4、1∶6、1∶8和1∶10,輸送流量為90～100 m3/h。所使用的現(xiàn)場充填系統(tǒng)主要由立式砂倉、膠固粉倉、雙管螺旋機和臥式攪拌機＋立式攪拌桶組成,超細(xì)全尾砂進入立式砂倉內(nèi)濃縮與活化儲存,與新型膠結(jié)材料、水按預(yù)定的計量進入臥式攪拌機＋立式攪拌桶內(nèi)充分混合均勻,混合均勻的充填料漿呈似膏體態(tài)自流輸送至12S1礦房內(nèi)。在井下28 d養(yǎng)護后,對12S1礦房內(nèi)不同灰砂比的充填體進行取巖心制樣,并利用YAW 100/10壓力機測量其抗壓強度,試驗結(jié)果見表4。由表4可知,充填體抗壓強度均高于表3中新型膠結(jié)材料室內(nèi)試驗強度,滿足井下采礦嗣后充填體設(shè)計強度要求。

表4 28d充填體抗壓強度

5 結(jié)論

(1)邢臺某鐵礦尾砂200目占82%,為超細(xì)全尾砂;尾砂中三氧化硫和氧化鈣含量多,屬于高硫高鈣全尾砂。

(2)通過正交試驗極差分析,得出新型膠結(jié)材料28 d抗壓強度主要影響因素由主到次為:礦渣粉、脫硫石膏、復(fù)合堿性料,最優(yōu)配方為60%礦渣微粉、8%復(fù)合堿性料、16%脫硫石膏和16%鋼渣粉。

(3)新型膠結(jié)材料按原料易磨性的不同分為兩組,復(fù)合堿性料、脫硫石膏和鋼渣為一組,礦渣為另一組;以一級管磨機開路為核心工藝生產(chǎn)出新型膠結(jié)材料比表面積穩(wěn)定在450 kg/m2以上。

(4)經(jīng)過生產(chǎn)實踐驗證,最優(yōu)新型膠結(jié)材料對于超細(xì)高硫高鈣全尾砂具有較強的適應(yīng)性,其充填體強度高于新型膠結(jié)材料室內(nèi)試驗強度,并滿足井下采礦嗣后充填體設(shè)計強度的要求。